BRPI0808719A2 - Processo e aparelho de produção de gases do ar sob forma gasosa e líquida com alta flexibilidade por destilação criogênica - Google Patents

Processo e aparelho de produção de gases do ar sob forma gasosa e líquida com alta flexibilidade por destilação criogênica Download PDF

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BRPI0808719A2
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BR
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turbine
air
main
flow
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BRPI0808719-9A
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Alain Guillard
Patrick Le Bot
Xavier Pontone
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Air Liquide
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Description

PROCESSO E APARELHO DE PRODUÇÃO DE GASES DO AR SOB FORMA GASOSA E LÍQUIDA COM ALTA FLEXIBILIDADE POR DESTILAÇÃO
CRIOGÊNICA
Os processos tradicionais de produção de gases do ar sob forma líquida ou gasosa apresentavam arquiteturas de processos distintas. Assim encontrava-se:
um aparelho de separação do ar produzindo os constituintes principais (O2, N2, Ar), em pressão atmosférica ou ligeiramente superior;
- uma etapa de compressão dos produtos por meio de
compressores ;
- um ciclo independente de liquefação de nitrogênio permitindo produzir todo ou parte de cada um dos constituintes sob forma líquida, se necessário.
Esta configuração permitia uma grande flexibilidade de
utilização, pois cada uma das três "funções" utilizadas (separação, compressão, liquefação) podiam ser funcionadas ou paradas de maneira independente sem afetar o funcionamento das duas outras.
No entanto, esta configuração sofre de uma falta de
competitividade importante, tendo em conta o custo muito elevado desta arquitetura, o que exige um aparelho por função.
Os processos mais recentes de produção de gases do ar, 25 que chamamos processos integrados, apresentam a vantagem de poder combinar em só um equipamento estas três funções. Os aparelhos ditos "à bomba", incluindo os ciclos de expansão de ar ou eventualmente de nitrogênio, permitem produzir a partir do mesmo equipamento os constituintes do ar sob
3 0 forma gasosa sob pressão e líquido. Entre estes, o processo com patamares de vaporização deslocados para emitir produtos sob pressão, tais como descritos na patente EP-A-0504029 ou ainda FR-A-2688052, são particularmente interessantes, pois permitem a 5 combinação destas funções a partir de um único compressor de ar, a alta pressão. A eficácia energética do conjunto é comparável ao processo tradicional e o investimento é grandemente diminuído.
Em contrapartida a flexibilidade de produção é afetada pela combinação "3 em 1" das funções, e poderá-se mais dificilmente operar ou parar uma função sem afetar o conjunto.
0 objetivo desta invenção é poder combinar as vantagens econômicas dos processos integrados, conservando ao mesmo tempo a adaptação e a flexibilidade oferecida pelos processos tradicionais.
De acordo com um objeto da invenção, é previsto um processo de produção de pelo menos um gás do ar por destilação criogênica em um sistema de colunas
2 0 compreendendo pelo menos uma coluna de pressão média
operando a uma pressão média e uma coluna de pressão baixa operando a uma pressão baixa, termicamente ligadas entre si na qual em um primeiro e um segundo modo de funcionamento:
a) a totalidade de uma vazão de ar comprimido é levada a uma alta pressão, pelo menos 500 kPa acima da pressão da
coluna de pressão média, e depurada a esta alta pressão, chamada pressão principal;
b) esta pressão principal é eventualmente variável em função das produções pedidas;
3 0 c) uma primeira parte da vazão de ar em pelo menos na pressão principal é resfriada em uma linha de troca até uma temperatura intermediária e é expandida em pelo menos uma primeira turbina;
d) eventualmente uma segunda parte da vazão de ar é expandida em pelo menos uma segunda turbina cujas condições
de admissão e de descarga difere de mais de 500 kPa e de mais de 15 0C ou são idênticas em termos de pressão e temperatura as da primeira turbina;
e) eventualmente o trabalho fornecido pela primeira ou uma terceira turbina serve pelo menos parcialmente ao
trabalho requerido por um compressor;
f) a pressão de admissão da primeira turbina é muito sensivelmente superior à pressão média e eventualmente superior à pressão principal;
g) a pressão de descarga da primeira turbina é
superior ou igual à pressão média, preferivelmente sensivelmente igual à pressão média;
h) um/o compressor comprime pelo menos uma fração da vazão de ar a uma alta pressão, superior ou igual à pressão 20 de ar principal resfriado na linha de troca até uma temperatura criogênica (<-100°C), e retorna a vazão comprimida na linha de troca, onde pelo menos uma parte se liquidifica na extremidade fria após é enviada no sistema de colunas após expansão;
i) um produto líquido sob pressão do sistema de
colunas se vaporiza na linha de troca,
e no primeiro modo de funcionamento,
j) uma turbina auxiliar aspira uma fração gasosa da vazão de ar tendo sido previamente expandida na primeira e/ou segunda turbina, preferivelmente após ter sido aquecida na linha de troca principal;
k) a pressão de aspiração da turbina auxiliar difere de pelo menos 200 kPa da pressão média, sendo preferivelmente substancialmente igual à pressão média;
1) a pressão de descarga da turbina auxiliar é
superior ou substancialmente igual à pressão atmosférica, preferivelmente substancialmente igual à pressão baixa;
m) pelo menos uma parte da vazão de ar expandido na turbina auxiliar é aquecida na linha de troca e rejeitada para a atmosfera;
n) uma parte dos constituintes do ar é produzida como produto final sob forma líquida;
e no segundo modo de funcionamento,
o) a vazão de ar tratada na turbina auxiliar é reduzida em relação à vazão tratada na turbina auxiliar no primeiro modo de funcionamento, eventualmente a zero e
p) a produção de líquido como produto final é diminuída, em relação à produção de líquido como produto final no primeiro modo, eventualmente à zero.
De acordo com de outros aspectos facultativos:
- todas as turbinas são travadas por um compressor de
ar;
- pelo menos um compressor acoplado a uma das turbinas aspira em temperatura ambiente;
- de todos os compressores, só o compressor ligado
mecanicamente à primeira turbina tem uma temperatura de aspiração abaixo de -100°C;
a temperatura de aspiração da primeira turbina difere de mais de ±15 °C, da temperatura de
3 0 pseudovaporização do oxigênio; - a vazão de ar principal entrando é reduzida, durante o segundo modo, de preferência uma vazão pelo menos igual à redução da vazão de ar enviada à turbina auxiliar durante o segundo modo;
- a variação da vazão de ar principal é assegurada
pelas palhetas variáveis de um compressor;
- a variação de vazão de ar principal é assegurada pelo funcionamento e/ou a parada de um compressor de ar auxiliar;
- a pressão de ar principal varia entre o primeiro
modo e o segundo modo;
- a primeira parte do ar é comprimida a uma pressão superior à pressão principal a montante da primeira turbina de modo que retorna na primeira turbina substancialmente a
uma pressão superior à pressão principal;
- a temperatura de entrada da turbina auxiliar é pelo menos igual, ou mesmo superior à temperatura de entrada da primeira turbina.
Propõe-se aqui melhorar a flexibilidade de produção
dos processos do tipo mono-máquinas, tais como descritos previamente:
- seja oferecendo a possibilidade de reduzir ou mesmo anular a produção de líquido das unidades utilizando um processo tal como descrito na EP-A-0504029;
- seja oferecendo a possibilidade de produzir de
maneira eficaz os líquidos com processos tais como foram descritos na FR-A-2688052;
- e oferecendo a possibilidade de fazer um ou outro de maneira reversível, e energeticamente eficaz nos dois casos
Este processo utiliza um sistema de destilação conhecido (colunas de pressão média e de pressão baixa termicamente ligadas, eventualmente uma coluna ã pressão intermediária e/ou uma coluna de mistura e/ou uma coluna de mistura de argônio, etc.) e coloca-se pelo menos duas turbinas de expansão.
Duas vazões estão em pressão substancialmente igual se suas pressões diferem somente pelas perdas de carga.
A fração gasosa da vazão de ar aspirado pela turbina auxiliar é previamente expandida na primeira e/ou na 10 segunda turbina, eventualmente enviada à coluna de pressão média e retirada da coluna de pressão média antes de ser enviada à turbina auxiliar, após ter sido aquecido na linha de troca principal.
No primeiro modo de funcionamento, a produção de produto liquido, todos os produtos finais confundidos, constitui 1%, ou 2% ou 5% da vazão de ar enviado às colunas (ou à coluna se somente a coluna de pressão média é alimentada em ar).
A invenção será descrita em mais detalhe referindo-se às figuras, que mostram as instalações de separação de ar capazes de funcionar de acordo com o processo da invenção.
Na Figura 1, uma vazão de ar comprimido 1 provindo de um compressor principal é comprimida em um compressor 3 a uma alta pressão pelo menos 500 kPa acima da pressão da 25 coluna de pressão média, esta alta pressão sendo chamada pressão principal. Esta pressão principal pode, por exemplo, estar entre 1000 e 2500 kPa. A esta pressão principal a vazão 5 é em seguida depurada em água e dióxido de carbono (não ilustrado). A vazão total de ar comprimido e depurado
3 0 5 é enviada a uma linha de troca 7 onde se resfria até uma temperatura Tl. A esta temperatura, a vazão 5 é dividida em duas para formar uma vazão 9 que se liquidifica e é enviada ao sistema de colunas e uma vazão 11. A vazão 11 deixa a linha de troca 7 à temperatura Tl e é enviada a um 5 compressor frio 13 para produzir uma vazão 15 a uma pressão muito sensivelmente superior à pressão média e eventualmente superior à pressão principal. A vazão 15 a uma temperatura T2 de saída do compressor frio se resfria na linha de troca 7 até uma temperatura T3 mais elevada que
Tl. A esta temperatura T3, a vazão 15 é dividida em duas vazões 17, 19. A vazão 17 é expandida em uma turbina 21 a partir da temperatura T3 próxima da temperatura de pseudovaporização do oxigênio pressurizado 33.
A pressão de aspiração da turbina 21 é igual à pressão
de descarga do compressor 13, portanto, muito sensivelmente superior à pressão média (superior pelo menos 500 kPa) e eventualmente superior à pressão principal e a pressão de descarga é superior ou igual à pressão média, preferivelmente sensivelmente igual à pressão média. A
2 0 vazão expandida até uma pressão superior ou igual à pressão
média, preferivelmente sensivelmente igual à pressão média é dividida em duas frações 23, 25. A vazão 19 prossegue seu resfriamento na linha de troca e é enviada sob forma gasosa ao sistema de colunas.
0 compressor frio 13 é acionado pela turbina 21.
Uma vazão de nitrogênio residual se aquece na linha de troca.
Uma vazão de oxigênio líquido 3 5 pressurizada em uma bomba 33 vaporiza na linha de troca 7.
3 0 Opcionalmente um líquido do sistema de colunas, além do oxigênio líquido, é pressurizado, vaporizado na linha de troca 7 e serve seguidamente de produto sob pressão.
De acordo com um primeiro modo de funcionamento, a fração 23 é enviada à coluna de pressão média do sistema 5 sob forma gasosa enquanto a fração 25 é retornada à extremidade fria da linha de troca 7. A uma temperatura T4 inferior a -IOO0C e superior a T2, a fração 25 é enviada a uma turbina 27 onde se expande até uma temperatura T5 formando uma vazão de ar 29. Esta vazão de ar aquece-se 10 seguidamente na linha de troca 7 para ser rejeitada na atmosfera, de modo que a destilação não seja perturbada.
Um produto líquido é retirado do sistema de colunas como produto final 32. No exemplo o único produto líquido do aparelho é o oxigênio líquido, mas outros produtos podem evidentemente ser produzidos.
De acordo com um segundo modo de funcionamento a vazão de ar 2 5 tratado na turbina auxiliar 27 é reduzida eventualmente à zero, a vazão de ar principal entrando 1 é reduzida a uma vazão pelo menos igual à redução da vazão de 20 ar enviado à turbina auxiliar 27 e a produção de líquido 32 é diminuída eventualmente à zero.
De preferência, a turbina 21 é acionada pelo compressor 13 e o compressor 3 aciona a turbina auxiliar 2 7
Na Figura 2, uma vazão de ar comprimido 1 provindo de 25 um compressor principal é um colocada sobrepressão em dois compressores idênticos em paralelo 3A, 3B a uma alta pressão de pelo menos 500 kPa acima da pressão da coluna de pressão média, esta alta pressão sendo chamada pressão principal. Esta pressão principal pode, por exemplo, estar 30 entre 1000 e 2500 kPa. A vazão reunida provindo dos dois compressores é seguidamente depurada em água e dióxido de carbono (não ilustrado). A vazão total de ar colocada sobrepressão e depurada 5 provindo dos dois compressores é enviada a uma linha de troca 7 onde se resfria até uma 5 temperatura Tl. A esta temperatura, a vazão 5 é dividida em duas para formar uma vazão 9 que se liquidifica e é enviada ao sistema de colunas e uma vazão 11. A vazão 11 deixa a linha de troca 7 à temperatura Tl diferente de mais de ±50C da temperatura de vaporização do oxigênio pressurizado (33) 10 e é enviada a um compressor frio 13 para produzir uma vazão 15 a uma pressão muito sensivelmente superior à pressão média e eventualmente superior à pressão principal. A vazão 15 a uma temperatura T2 de saída do compressor frio se resfria na linha de troca 7 até uma temperatura T3 mais 15 elevada que Tl. A esta temperatura T3, a vazão 15 é dividida em duas vazões 17, 19. A vazão 17 é novamente dividida em duas, cada vazão sendo expandida a partir da pressão de descarga do compressor frio 13 em uma das duas turbinas 21A, 21B conectadas em paralelo com uma
2 0 temperatura de entrada T3 próxima da temperatura de pseudovaporização do oxigênio pressurizado 33.
A vazão 19 prossegue seu resfriamento na linha de troca e é enviada sob forma gasosa ao sistema de colunas.
Uma vazão de nitrogênio residual se aquece na linha de troca.
Uma vazão de oxigênio líquido 35 pressurizado em uma bomba 33 se vaporiza na linha de troca 7.
De acordo com um primeiro modo de funcionamento, as vazões expandidas das duas turbinas são reunidas e em seguida divididas em duas frações 23, 25. A fração 23 é enviada à coluna de pressão média do sistema sob forma gasosa enquanto a fração 25 é retornada à extremidade fria da linha de troca 7. A uma temperatura T4 inferior a -IOO0C e superior a T2, a fração 25 é enviada a uma turbina 27 5 onde se expande até uma temperatura T5 formando uma vazão de ar 29. Esta vazão de ar se aquece em seguida na linha de troca 7 para ser rejeitada na atmosfera, de modo que a destilação não seja perturbada.
Um produto líquido é retirado do sistema de colunas como produto final 32. No exemplo o único produto líquido do aparelho é o oxigênio líquido, mas outros produtos podem evidentemente ser produzidos.
De acordo com um segundo modo de funcionamento, a vazão de ar 25 tratada na turbina auxiliar 27 é reduzida 15 eventualmente à zero, a vazão de ar principal entrando 1 é reduzida de uma vazão pelo menos igual à redução da vazão de ar enviado à turbina auxiliar 27 e a produção de líquido 32 é diminuída eventualmente à zero.
Opcionalmente, um líquido do sistema de colunas, por exemplo, o oxigênio líquido, é pressurizado, vaporizado na linha de troca 7 e serve em seguida de produto sob pressão.
Nos dois casos, pode haver uma etapa de compressão entre a sobrepressão quente que conduz o ar à pressão principal e a sobrepressão fria, de modo que a sobrepressão fria se efetua a partir de uma pressão acima da pressão principal.
Esta variação da vazão de ar 1 entre os dois modos de funcionamento é assegurada pelas palhetas variáveis de um compressor e/ou pelo funcionamento e/ou a parada de um compressor de ar auxiliar. Estes dois modos de funcionamento podem constituir os únicos modos de funcionamento do aparelho ou pode haver outros modos de funcionamento.
De preferência, a turbina 21A é acionada pelo compressor 13. 0 compressor 3A aciona a turbina auxiliar 27 e o compressor 3B a turbina 21 B. Qualquer outra combinação pode igualmente ser prevista.

Claims (10)

1. Processo de produção de pelo menos um gás do ar por destilação criogênica em um sistema de colunas caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma coluna de pressão média operando a uma pressão média e uma coluna de pressão baixa operando a uma pressão baixa, termicamente ligadas entre elas na qual em um primeiro e um segundo modo de funcionamento: a) a totalidade de uma vazão de ar (1) comprimido é levada a uma alta pressão, pelo menos 500 kPa acima da pressão da coluna de pressão média, e depurada a esta alta pressão, chamada pressão principal; b) esta pressão principal é eventualmente variável em função das produções pedidas; c) uma primeira parte da vazão de ar em pelo menos na pressão principal é resfriada em uma linha de troca até uma temperatura intermediária e é expandida em pelo menos uma primeira turbina (21); d) eventualmente uma segunda parte da vazão de ar é expandida em pelo menos uma segunda turbina (21B) cujas condições de admissão e de descarga difere de mais de 500 kPa e de mais de 150C ou são idênticas em termos de pressão e temperatura as da primeira turbina; e) eventualmente o trabalho fornecido pela primeira ou uma terceira turbina serve pelo menos parcialmente ao trabalho requerido por um compressor (13); f) a pressão de admissão da primeira turbina (21) é muito sensivelmente superior à pressão média e eventualmente superior à pressão principal; g) a pressão de descarga da primeira turbina é superior ou igual à pressão média, preferivelmente sensivelmente igual à pressão média; h) um/o compressor comprime pelo menos uma fração da vazão de ar a uma alta pressão, superior ou igual à pressão de ar principal resfriado na linha de troca (7) até uma temperatura criogênica (<-100°C), e retorna a vazão comprimida na linha de troca, onde pelo menos uma parte se liquidifica na extremidade fria após é enviada no sistema de colunas após expansão; i) um produto líquido sob pressão do sistema de colunas se vaporiza na linha de troca, e no primeiro modo de funcionamento, j) uma turbina auxiliar (27) aspira uma fração gasosa da vazão de ar tendo sido previamente expandida na primeira e/ou segunda turbina, preferivelmente após ter sido aquecida na linha de troca principal; k) a pressão de aspiração da turbina auxiliar difere de pelo menos 200 kPa da pressão média, sendo preferivelmente substancialmente igual à pressão média; 1) a pressão de descarga da turbina auxiliar é superior ou substancialmente igual à pressão atmosférica, preferivelmente substancialmente igual à pressão baixa; m) pelo menos uma parte da vazão de ar expandido na turbina auxiliar é aquecida na linha de troca e rejeitada para a atmosfera; n) uma parte dos constituintes do ar é produzida como produto final (32) sob forma líquida; e no segundo modo de funcionamento, o) a vazão de ar tratada na turbina auxiliar é reduzida em relação à vazão tratada na turbina auxiliar no primeiro modo de funcionamento, eventualmente à zero e p) a produção de líquido como produto final é diminuída, em relação à produção de líquido como produto final no primeiro modo, eventualmente à zero.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que todas as turbinas são travadas por um compressor de ar (3, 13).
3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos um compressor (3) acoplado a uma das turbinas aspira em temperatura ambiente.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que de todos os compressores, somente o compressor (13) ligado mecanicamente ã primeira turbina (21) tem uma temperatura de aspiração abaixo de -IOO0C.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a temperatura de aspiração da primeira turbina (21) difere de mais de +15°C da temperatura de pseudovaporização do oxigênio.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a vazão de ar principal entrando é reduzida durante o segundo modo, de preferência uma vazão pelo menos igual ã redução da vazão de ar enviado à turbina auxiliar (27) durante o segundo modo.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a variação da vazão de ar principal (1) é assegurada pelas palhetas variáveis de um compressor.
8. Processo, de' acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a variação de vazão de ar principal (1) é assegurada pelQ funcionamento e/ou a parada de um compressor de ar auxiliar.
9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a pressão de ar principal varia entre o primeiro modo e o segundo modo.
10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a primeira parte do ar é comprimida a uma pressão superior à pressão principal à montante da primeira turbina (21) de modo que retorna na primeira turbina substancialmente a uma pressão superior à pressão principal.
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